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Technischer
Hintergrund
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein
auf Ultra-Hochvakuumsysteme und insbesondere auf In-situ-Getterpumpen,
die in Ultra-Hochvakuumsystemen verwendet werden.
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Stand der Technik
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Es gibt eine Anzahl von Verfahren,
die Ultra-Hochvakuumpegel von beispielsweise 133·10–7 bis
133·10–12 Pa
(10–7 bis
10–12 Torr)
erfordern. Zum Beispiel verlangen physikalische Hochvakuum-Maschinen
wie Zyklotrone und Linearbeschleuniger oft ein Vakuum in der Größenordnung
von 133·10–8–133·10–2 Pa.
Auch in der Halbleiter-Herstellungsindustrie werden häufig Ultra-Hochvakuen
von annähernd
133·10–7–133·10–9 Pa
bei Halbleiter-Bearbeitungsausrüstungen
verlangt.
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Typischerweise werden mehrere Pumpen
in Reihe oder parallel verwendet, um Ultra-Hochvakuumpegel innerhalb einer Kammer
zu erzielen. Eine mechanische Pumpe (z. B. Ölpumpe) wird oft eingesetzt,
um den Druck innerhalb einer Kammer auf annähernd 400–665·10–3 Pa
(30–50
Millitorr) zu reduzieren. Diese werden oft als "Hochdruck"-Pumpen bezeichnet,
da sie nur Gase relativ hohen Druckes pumpen. Dann werden Hoch-
oder Ultrahoch-Vakuumpumpensysteme, wie eine Molekularpumpe, Ionenpumpe,
Kryopumpe, Turbopumpe etc. verwendet, um den Druck auf annähernd 133·10–7–133·10–9 Pa
zu verringern. Diese werden häufig
als "Niederdruck"-Pumpen bezeichnet, da sie Gase geringen Druckes
pumpen. Die Abpumpzeit für
eine bestimmte Kammer kann von Minuten über Stunden bis zu Tagen betragen,
abhängig
von solchen Faktoren wie Kammergröße, Pumpenkapazität, Durchlässigkeit von
der Kammer zu den Pumpen und gewünschtem Enddruck.
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Bei gewissen Ultra-Hochvakuumanwendungen
sind Getterpumpen in Verbindung mit den oben genannten mechanischen,
molekularen und Kryo-Pumpen eingesetzt worden (vgl. US-A-3,892,650;
GB-A-2 077 487 oder US-A-4,571,158). Eine Getterpumpe beinhaltet
Gettermaterialien (Metall-Legierungen), die eine Affinität zu bestimmten
Nicht-Edelgasen besitzen. Zum Beispiel wurden, abhängig von
der Zusammensetzung und Temperatur des Gettermaterials, Getterpumpen entworfen,
die vorzugsweise bestimmte Nicht-Edelgase wie Wasserdampf und Wasserstoff
pumpen.
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Zum Beispiel sind von SAES Getters
S.p.A., Mailand, Italien, gelieferte Getterpumpen eine Reihe von
Jahren in Teilchenbeschleuniger eingebaut worden. Die Getterpumpe
enthält typischerweise
Gettermaterial, das in einem Behälter
aus rostfreiem Stahl eingeschlossen ist. Getterpumpen können von Raumtemperaturen
bis zu etwa 450°C
betrieben werden, abhängig
von der Art des zu pumpenden Gases, der Getterstoffzusammensetzung
usw. Ein bevorzugtes Gettermaterial für bekannte SAES-Getterpumpen ist
ST707TM-Gettermaterial (das eine Legierung
aus Zr-V-Fe ist) und von SAES Getters S.p.A., Mailand, Italien,
produziert wird. Ein weiteres derartiges Material ist ST101TM-Getterlegierung, ebenso erhältlich von
SAES Getters S.p.A., die eine Zr-Al-Legierung ist. Einige dieser
bekannten Getterpumpen können als
"In-situ"-Pumpen angesehen werden, weil sie innerhalb der physikalischen
Hochvakuummaschinen angeordnet sind.
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Es ist ferner vorgeschlagen worden,
Getterpumpen für
Halbleiter-Bearbeitungsausrüstungen vorzusehen.
Zum Beispiel wurde in einem Artikel mit dem Titel "Nichtverdampfungsfähige Getterpumpen für Halbleiter-Bearbeitungsausrüstungen"
[Non-Evaporable Getter Pumps for Semiconductor Processing Equipment]
von Briesacher et al. vor einigen Jahren vorgeschlagen, dass jegliche
Anwendung, die Getterstoffe zur Reinigung von Prozessgasen zur Halbleiterbearbeitung
verwendet, auch nichtverdampfungsfähige Getterpumpen für die In-situ-Reinigung und
für das
selektive Pumpen von Verunreinigungen benutzen kann.
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Die vorstehende Briesacher-Referenz
offenbart, dass es zwei mögliche
Einsatzfälle
für die
Verwendung von Getterpumpen in einem Sputtersystem gibt. Der erste
ist das Hinzufügen
der Getterpumpe zum System, um sie parallel mit konventionellen Pumpen
(z. B. mechanischen und Kryo-Pumpen) des Systems zu betrieben. Bei
diesem Einsatzfall wird der Betrieb des Systems in keiner Weise
modifiziert, und die Getterpumpe dient nur als Hilfspumpe, um den
Partialgasdruck bestimmter Komponenten des verbleibenden Gases in
der Kammer zu verringern. Der zweite Einsatzfall ist das Füllen der
Kammer bis zu einem Druck im Bereich von 0,4 bis 0,8 Pa (3 × 10–3 bis
6 × 10–3 Torr),
Beenden des Argonzuflusses in die Kammer und Abdichten der Kammer.
Die Getterpumpe wirkt dann sozusagen als eine "In-situ"-Reinigungsvorrichtung
für das
Argon. Wie nachfolgend diskutiert, ist die Pumpe jedoch nicht wirklich "in
situ", weil das aktive Material sich nicht innerhalb des Volumens
der Bearbeitungskammer befindet. Eine Experimentalbearbeitungskammer
mit Verwendung einer derartigen Getterpumpe wurde einige Jahre lang
an der elektronischen Fakultät
der Universität
Tohoku, Japan, unter der Leitung von Dr. Ohmi realisiert.
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Die Briesacher-Referenz offenbart,
dass eine Getterpumpe in Verbindung mit einem Sputtersystem verwendet
werden kann, was eine Art Halbleiter-Bearbeitungsausrüstung darstellt.
In einem Beispiel für
ein typisches Sputtersystem wird ein Edelgas (üblicherweise Argon) in eine
Kammer gepumpt und ein Plasma erzeugt. Das Plasma beschleunigt Argonionen
auf das Ziel zu und veranlasst, dass sich Material verlagert und
auf der Oberfläche des
Wafers festsetzt. Getterpumpen sind zur Verwendung mit Sputtersystemen
gut geeignet, da das einzig gewünschte
Bearbeitungsgas ein Edelgas ist, das von der Getterpumpe nicht gepumpt
wird. Daher kann die Getterpumpe Verunreinigungsgase aus einer Sputterkammer
entfernen, ohne den für
den Sputterprozess erforderlichen Edelgasstrom zu beeinflussen.
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Die Briesacher-Referenz war primär eine akademische
Analyse der Praktikabilität
der Verwendung von nichtverdampfungsfähigen Getterpumpen bei Halbleiter-Bearbeitungsausrüstungen.
Daher wird sehr wenig über
die praktische Anwendung der Theorie offenbart. Während zudem
der Briesacher-Artikel den Ausdruck "in situ" verwendet, um den
Einsatzfall für
die Verwendung einer Getterpumpe zu beschreiben, wird aus der Beschreibung
klar, dass die Getterpumpe sich außerhalb der Kammer befindet
und nur als "in situ" angesehen wird, weil das Volumen innerhalb
der Getterpumpe als mit dem Kammervolumen verbunden betrachtet werden kann,
wenn die Kammer abgedichtet ist und kein Argon in die Kammer zufließt. Sie
ist jedoch nicht wirklich "in situ", weil sich die Getterpumpenflächen innerhalb
eines Volumens befinden, das über
eine Begrenzungsdrossel an das Kammervolumen angeschlossen ist,
was die Durchlässigkeit
zwischen der Kammer und der Pumpe weitgehend einschränkt. Zum
Beispiel kann das Pumpen durch eine Drossel einer Pumpe die Durchlässigkeit
um 25% oder mehr verringern, und das Pumpen durch eine Drossel einer Pumpe
mit einem Wärmeschild
(zum Abschirmen der aktiven Elemente von der Kryopumpe gegen erwärmte Elemente
der Bearbeitungskammer) kann die Durchlässigkeit um 60% oder mehr verringern.
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Sputtersysteme, die für die Herstellung
integrierter Schaltungen verwendet werden, weisen gewisse Funktionsmerkmale
auf, die durch moderne In-situ-Getterpumpen verbessert werden können, die vom
Stand der Technik bisher nicht angesprochen wurden. Ein solches
Merkmal ist die Tatsache, dass Seriensputtervorrichtungen mit einer
Reihe von unterschiedlichen Drücken
und unterschiedlichen Gaszusammensetzungen arbeiten müssen. Dieses Merkmal
ist beispielsweise nicht vorhanden bei Teilchenbeschleunigern wie
dem oben erwähnten
Teilchenbeschleuniger der Universität Princeton, die typischerweise
unter Hochvakuum gehalten werden. Auch von der vorgenannten Briesacher-Referenz wurde
dieses Merkmal nicht angesprochen. Insbesondere ist eine Sputterkammer
einer handelsüblichen
Sputtermaschine häufig
drei vollkommen unterschiedlichen Umgebungen ausgesetzt. Eine erste Umgebung
liegt vor, wenn die Kammer zur Umgebungsatmosphäre hin geöffnet wird, z. B. wegen regelmäßiger Wartung
oder zur Reparatur. Unter diesen Bedingungen wird die Kammer mit
Atmosphärengasen
und Schmutzstoffen verunreinigt.
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Eine zweite Umgebung liegt vor, wenn
die Kammer unter Ultra-Hochvakuumbedingungen betrieben wird, beispielsweise
bei weniger als 133·10–7 Pa
(10–7 Torr),
wie während
der Beschickung und Entlastung der Kammer und während des Abpumpens auf "Basisdruck"
vor der Bearbeitung. Schließlich liegt
eine dritte Umgebung während
der Bearbeitung vor, wenn der Druck des Argongases in der Sputterkammer
auf einem Druck von wenigen Millitorr ist.
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Um zwischen diesen verschiedenen
Arbeitsumgebungen zu wechseln, muss eine typische Sputterkammer
an eine mechanische (Hochdruck)-Pumpe und eine Kryopumpe (Niederdruckpumpe)
angeschlossen werden. Die mechanische Pumpe wird den Druck in der
Kammer auf annähernd 0,4–0,67 Pa
(30–50
Millitorr) reduzieren, und die Kryopumpe (oder andere Hochvakuumpumpe,
wie eine Turbopumpe) wird dann dazu verwendet, den Druck in der
Kammer auf annähernd
133·10–7–133·10–9 Pa zu
reduzieren.
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Es ist auf dem Markt erwünscht, die
"Übergangs"-Zeit
zwischen diesen verschiedenen Arbeitsumgebungen zu minimieren. Beim Übergang vom
Atmosphärendruck
zu Ultra-Hochvakuumbedingungen
brauchen eine herkömmliche
mechanische Pumpe und eine Kryopumpe z. B. häufig 600–700 Minuten, um die gewünschten
Vakuumpegel zu erreichen. Daher kann es nach jeder Routinewartung
oder Reparatur zehn Stunden oder mehr dauern, bis die Sputterkammer
bereit ist, einen Wafer zur Bearbeitung anzunehmen. Dies kann während der
Lebensdauer der Sputtermaschine Tausende oder Millionen von Dollar
"Totzeit" zur Folge haben.
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Da die Gesamt-"Abpump"-Zeit mehr
von der Kryopumpe als von der mechanischen Pumpe abhängt, besteht
eine Lösung
darin, die Größe der Kryopumpe
und die Durchlässigkeit
zur Pumpe zu erhöhen.
Mit "Durchlässigkeit"
ist die Leichtigkeit gemeint, mit der ein Fluid (in diesem Beispiel
Gas) von einem Volumen (z. B. der Bearbeitungskammer) zu einem anderen
Volumen (z. B. der Pumpenkammer) strömt. Die Durchlässigkeit
wird durch die Öffnungsgröße zwischen
den zwei Kammern begrenzt, was typischerweise die Querschnittsfläche der
Drossel der Kryopumpe ist, sowie die Direktheit des Weges zwischen
Atomen, Molekülen
und Teilchen, die gepumpt werden sollen, und die aktiven Flächen innerhalb
der Kryopumpe. Leider erhöht
das Erhöhen
der Größe und Durchlässigkeit
der Kryopumpe gleicherweise die Menge von Argon, die in die Verfahrenskammer einströmen muss,
um den Sputterprozess zu unterstützen.
Dies hat zwei unerwünschte
Nebenwirkungen. Erstens steigen die Bearbeitungskosten aufgrund
der hohen Kosten für
Argongas dramatisch an. Zweitens sättigt die große Menge
des durch die Kryopumpe gepumpten Argons die Pumpe schnell, was häufige "Regenerierungen"
(wobei Materialeinschlüsse
von der Pumpe freigesetzt werden) und daher mehr Totzeit für das System
bedingt. Folglich ist diese Lösung,
die Größe der Kryopumpe
zu erhöhen, kommerziell
nicht lebensfähig.
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Im allgemeinen ist es wünschenswert,
eine Kryopumpe mit großer
Kapazität
zu haben, so dass die Zeitspanne zwischen Regenerierungszyklen möglichst
lang sein kann. Große
Kryopumpen weisen jedoch typischerweise große Drosseln und große Durchlässigkeiten
auf. Beim Stand der Technik kann beispielsweise eine Prallplatte
mit einem oder mehr Löchern
oder anderen Öffnungen über dem
Ausfluss der Kryopumpe platziert werden, um deren Durchlässigkeit
auf akzeptable Pegel zu verringern. Alternativ könnte eine kleinere Kryopumpe
mit einer geringeren Durchlässigkeit
ohne Prallplatte verwendet werden, oder es können andere Beschränkungsmechanismen
eingesetzt werden. Mit der kleineren Kryopumpe wäre jedoch die Zeitspanne zwischen
den Regenerierungszyklen kürzer.
Ferner wäre
der Basisdruck mit jeder dieser Lösungen höher als mit einer unbeschränkten, großen Kryopumpe.
Dies ist unerwünscht,
denn je niedriger der Basisdruck, desto sauberer die Kammer.
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Eine andere mögliche Lösung für das Problem des Entleerens
einer Kammer einer Sputtermaschine ist die Bereitstellung einer
zusätzlichen
Kryopumpe, wobei eine Kryopumpe eine große Durchlässigkeit aufweist, um die Kammer
auf die Basisdrücke abzupumpen,
und die andere Kryopumpe eine kleinere Durchlässigkeit zum Entleeren der
Kammer während
der Bearbeitung aufweist. Diese Lösung hat jedoch auch ihre Nachteile.
Zum einen neigen Kryopumpen dazu, ziemlich viel Raum einzunehmen,
da sie sowohl Tieftemperaturtechnik für flüssiges Helium als auch Tieftemperaturtechnik
für flüssigen Stickstoff
zum Betrieb benötigen.
Daher ist es unerwünscht,
in den oftmals beengten Raum um die Halbleiterfertigungsanlage eine
zusätzliche
Kryopumpe hinzuzufügen.
Da Kryopumpen ferner ziemlich teure Teile sind, wäre dies
eine teure Lösung.
Zudem müsste
die kleinere Kryopumpe auf regelmäßiger Basis regeneriert werden.
Ferner bräuchte
jede Kryopumpe teure und voluminöse
Durchlassventile und Steuersysteme. Schließlich müsste die Kammer wahrscheinlich
umkonstruiert werden, um zwei Kryopumpen aufzunehmen.
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Eine andere mögliche Lösung wäre die Verwendung einer Prallplatte
mit einer "Austrittsöffnung von
variabler Größe. Dies
ist zwar theoretisch reizvoll, aber solche Prallplatten für große Kryopumpen (z.
B. Kryopumpen mit Ausflüssen
von 200 mm (8'')) sind nicht auf dem Markt erhältlich und wahrscheinlich ziemlich
teuer und kompliziert in der Herstellung. Zudem können mit
den Mechanismen einer variablen Austrittsöffnung so manche Verunreinigungsprobleme
verbunden sein.
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Getterpumpen weisen das interessante Merkmal
auf, dass sie vorzugsweise bestimmte Gase pumpen können. Zum
Beispiel werden durch Ändern der
Zusammensetzung des Materials (typischerweise eine Metall-Legierung)
und der Betriebstemperatur selektiv unterschiedliche Gase gepumpt.
Beispielsweise pumpt die oben genannte Legierung ST707 bei einer
Temperatur von ca. 350°C
vorzugsweise viele Nicht-Edelgase und bei Raumtemperaturen (ca.
25°C) vorzugsweise
Wasserstoffgas. Dieses Merkmal der Getterstoffe ist zur Reinigung
von Edelgasen und Stickstoff verwendet worden, wie im US-Patent
Nr. 5,238,469 offenbart, das am 24. August 1993 an Briesacher et
al. erteilt und auf SAES Pure Gas, Inc. übertragen wurde und durch Querverweis
hierin aufgenommen wird. Der Stand der Technik offenbart jedoch
nicht die Verwendung einer In-situ-Getterpumpe, die bei mehreren Temperaturen
arbeitet, um vorzugsweise mehrere Arten von Gasen zu pumpen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Wafer-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, eine
Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch
7, ein In-situ-Getterpumpenmodul gemäß dem Patentanspruch
8 und ein Wafer-Bearbeitungssystem gemäß dem Patentanspruch 12.
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Ein Wafer-Bearbeitungssystem der
vorliegenden Erfindung schließt
eine Bearbeitungskammer, eine Niederdruckpumpe und eine in der Bearbeitungskammer
befindliche In-situ-Pumpe
ein. Die Niederdruckpumpe ist vorzugsweise eine Kryopumpe, die mittels
einer Drosselplatte an die Bearbeitungskammer angeschlossen ist.
Ein Ventilmechanismus verbindet eine Edelgasquelle mit der Bearbeitungskammer,
so dass das Edelgas kontinuierlich in die Bearbeitungskammer einströmt und mit
der Niederdruckpumpe aus der Kammer herausgepumpt wird. Die In-situ-Pumpe,
die eine Getterpumpe ist, pumpt während des Einströmens des
Edelgases in die Kammer Nicht-Edelgas ab, während sie im wesentlichen nichts
von dem Edelgas abpumpt.
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Die Getterpumpe schließt ein oder
mehr Gettermodule ein, die jeweils mit einer Heizvorrichtung ausgerüstet sind.
Ein Gettermodul kann mit einer ersten Temperatur betrieben werden,
so dass es vorzugsweise bestimmte Gase pumpt, wie z. B. Wasserdampf,
während
ein anderes Modul mit einer zweiten Temperatur betrieben werden
kann, so dass es ein anderes Gas pumpen kann, wie z. B. Wasserstoff.
Alternativ kann ein einziges Modul vorgesehen sein, das auf eine
erste Temperatur erwärmt
wird, um vorzugsweise ein erstes Gas zu pumpen, und dann auf eine
zweite Temperatur erwärmt
wird, um vorzugsweise ein zweites Gas zu pumpen. Zur Isolierung
des Gettermaterials gegen erwärmte
oder gekühlte
Flächen
innerhalb der Kammer werden Wärmeschilde verwendet,
die folglich eine unabhängige
Temperatursteuerung des Gettermaterials erlauben.
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Das Wafer-Bearbeitungssystem schließt einen
an die Kammer angeschlossenen Gasanalysator und eine Steuerungseinrichtung
ein, die mit einem Eingang an den Gasanalysator angeschlossen ist und
mit einem Ausgang an die Heizvorrichtung angeschlossen ist. Durch
diese automatisierte Steuerung der Heizvorrichtungen kann durch
Betreiben der Getterpumpe bei einer ersten Temperatur eine erste
Sorte Gas gepumpt werden und dann nach Fallen der Konzentrationspegel
der ersten Sorte auf einen gewünschten
Pegel veranlasst werden, dass durch Betreiben der Getterpumpe bei
einer zweiten Temperatur eine zweite Sorte Gas gepumpt wird. Dies
gestattet der Getterpumpe, vorzugsweise Gase basierend auf den Gaszusammensetzungen
innerhalb der Kammer zu pumpen.
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Eine Bearbeitungskammer in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung schließt eine abdichtbare Hülle und
ein innerhalb der Hülle
angeordnetes In-situ-Getterpumpensystem ein, das in der Lage ist,
bei mehr als einer Temperatur zu arbeiten, so dass unterschiedliche
Nicht-Edelgase vorzugsweise bei unterschiedlichen Temperaturen gepumpt werden.
Die In-situ-Getterpumpe
schließt
eine Heizvorrichtung ein, die so gesteuert ist, dass sie vorzugsweise
entweder Nicht-Edelgase (verschieden von Wasserstoff) oder Wasserstoff
pumpt, je nach Temperatur des Gettermaterials. Die Bearbeitungskammer
schließt
ferner einen Gasanalysator und eine Steuerungseinrichtung ein, die
mit einem Eingang an den Gasanalysator angeschlossen ist und mit
einem Ausgang an die Heizvorrichtung angeschlossen ist.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich ferner auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Wafers gemäß dem Patentanspruch
10 und auf ein Verfahren zum Pumpbetrieb einer Kammer gemäß dem Patentanspruch
11. Insbesondere umfasst ein Verfahren zur Bearbeitung eines Wafers
in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung den Schritt Platzieren eines Wafers innerhalb
einer Bearbeitungskammer und Abdichten der Kammer, Einlassen eines
Edelgases in die Kammer bei gleichzeitiger Entleerung der Kammer
mit einer externen Niederdruckpumpe und mit einer innerhalb der
Kammer angeordneten In-situ-Pumpe,
die Nicht-Edelgase pumpt, und Bearbeiten des Wafers innerhalb der
Kammer, während
das Edelgas weiterhin strömt.
Vor dem Schritt Einlassen eines Edelgases in die Kammer umfasst
das Verfahren den Schritt Gleichzeitiges Entleeren der Kammer mit
ein externen Niederdruckpumpe und mit der In-situ-Pumpe, um einen
Basisdruck zu erreichen. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt Überwachen der
Zusammensetzung und Konzentration des Gases innerhalb der Kammer
und Steuern der Temperatur des Gettermaterials basierend auf der
Analyse. Auf diese Weise können
die Adsorptionseigenschaften des Gettermaterials eingestellt werden,
um eine gewünschte
Verunreinigung aus dem Edelgasstrom herauszupumpen.
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Ein Vorteil dieser Erfindung ist,
dass ein System und Verfahren bereitgestellt werden, die mit den diversen
Betriebsbedingungen von Halbleiterfertigungsanlagen-Kammern kompatibel
sind. Durch Bereitstellen einer In-situ-Getterpumpe können Übergangszeiten
in Halbleiterfertigungsanlagen erheblich reduziert werden, wodurch
die Anlagentotzeit reduziert wird und die Produktivität und Rentabilität demzufolge
erhöht
werden.
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Insbesondere ist es vorteilhaft,
ein oder mehr Gettermodule bei unterschiedlichen Temperaturen zu betreiben,
um vorzugsweise ausgewählte
Gase aus dem Inneren einer Sputtersystemkammer herauszupumpen. Durch
Verwenden eines Gasanalysators zur automatischen Steuerung der Temperatur
der Gettermodule kann die Abpumpzeit erheblich verringert werden.
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Zudem stellt es sich als vorteilhaft
heraus, eine In-situ-Getterpumpe in Verbindung mit einer Kryopumpe
zu verwenden. Da Kryopumpen beim Pumpen von Edelgasen wie Argon
sehr effizient sind und da Getterpumpen im wesentlichen keine Edelgase
pumpen, beeinträchtigt
oder beeinflusst der Betrieb der Getterpumpe den Edelgasstrom innerhalb der
Kammer nicht. Da die In-situ-Getterpumpe die Kryopumpe zudem beim
Abpumpen der Kammer unterstützt,
kann eine Kryopumpe mit geringem Aufnahmevermögen oder eine große, gedrosselte
Kryopumpe verwendet werden und dabei trotzdem das gewünschte Ergebnis
geringerer Übergangsperioden erhalten
werden.
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Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibungen und
Studieren der verschiedenen Figuren der Zeichnungen noch deutlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Systemdiagramm zur Darstellung einer Halbleiter-Bearbeitungsvorrichtung
mit einem In-situ-Getterpumpensystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Querschnittansicht entlang der Linie 2-2 gemäß 1 einer Prallplatte einer
Kryopumpe;
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3 ist
eine Seitenansicht eines Gettermoduls in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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3a ist
eine Ansicht entlang der Linie 3a-3a gemäß 3 und stellt ein einzelnes Getterelement
der vorliegenden Erfindung dar;
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4 ist
ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines In-situ-Getterpumpensystems
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
ein Diagramm des Drucks innerhalb einer Kammer gemäß einem
ersten Abpumpverfahren der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
ein Diagramm des Drucks innerhalb einer Kammer gemäß einem
zweiten Abpumpverfahren der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung; und
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8 ist
ein Flussdiagramm zur Darstellung von Schritt 162 gemäß 7 in größerer Einzelheit.
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Beste Arten
zur Ausführung
der Erfindung
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In 1 schließt ein Wafer-Bearbeitungssystem 10 eine
erste Hülle 12 für einen
Wafer-Handhabungsroboter 14 und
eine zweite Hülle 16 ein,
die eine Bearbeitungskammer 18 definiert. Das System 10 weist
ferner eine mechanische Pumpe 20, eine Kryopumpe 22,
ein Gasliefersystem 24, einen Plasmagenerator 26 zum
Erzeugen eines Plasmas und eine Steuerungseinrichtung 28 auf
Mikroprozessorbasis zur Steuerung eines Großteils des Betriebs der Waferbearbeitung 10 auf.
Die vorliegende Erfindung schließt ferner eine In-situ-Gettersystempumpe 30 mit
einem Gettermodul 32, einem Schild 33, einer steuerbaren
Stromquelle 34, einem Restgasanalysator (RGA) 36 und
einer Steuerungseinrichtung 38 auf Mikroprozessorbasis
ein. Das Wafer-Bearbeitungssystem 10 bearbeitet einen Halbleiter 40,
der durch den Wafer-Handhabungsroboter 14 innerhalb der Kammer 18 platziert
wurde.
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Die Fertigungsdetails der ersten
Hülle 12 und des
Wafer-Handhabungsroboters 14 sind dem Fachmann auf diesem
Gebiet hinlänglich
bekannt. Die Hülle 12 umgrenzt
eine Roboterkammer 42, auf die durch Schlitzventile 44 und 46 zugegriffen
werden kann. Die Roboterkammer ist typischerwveise auf Ultra-Hochvakuumpegeln
von weniger als 133·10–7 Pa gehalten.
Der Zweck des Roboters 14 besteht darin, den Wafer 40 durch
ein offenes Schlitzventil 46 automatisch innerhalb der
Bearbeitungskammer 18 zu platzieren und einen bearbeiteten
Wafer 40 nach Abschluss des Verfahrens durch das Schlitzventil 46 aus
der Kammer 18 zu entfernen. Unmittelbar bevor das Schlitzventil 46 geöffnet wird,
sind die Drücke
innerhalb der Bearbeitungskammer 18 und der Roboterkammer 42 vorzugsweise
auf ungefähr
demselben Pegel, um Wirbelbildung beim Öffnen der Schlitzventile zu
minimieren. Während
der Bearbeitung des Wafers 40 ist das Schlitzventil 46 geschlossen.
Der Wafer-Handhabungsroboter 14 und
die Durchlassventile 44 und 46 werden alle durch
die Systemsteuerungseinrichtung 28 gesteuert.
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Die zweite Hülle 16, welche die
Verfahrenskammer 18 umgrenzt, ist ebenfalls von herkömmlicher
Bauart. Sie ist wie die erste Hülle 12 vorzugsweise
aus einem massiven, haltbaren Material wie rostfreiem Stahl hergestellt.
Neben dem Schlitzventil 46 verbindet ein Paar Ventile 48 und 50 die
mechanische Pumpe 20 bzw. die Kryopumpe 22 mit
der Kammer 18. Wenn die Kammer 18 zur Atmosphäre entlüftet worden
ist (wie zur Wartung oder Reparatur), wird das Ventil 48 geöffnet und
die mechanische Pumpe verwendet, um die Kammer bis auf etwa 30 Millitorr abzupumpen.
Zu diesem Zeitpunkt ist das Ventil 48 geschlossen und das
Kryopumpenventil 50 geöffnet, um
das System bis auf etwa 133·10–9 Pa
(10–9 Torr) weiter
abzupumpen. Vorzugsweise wird die Getterpumpe 30 in Verbindung
(d. h. gleichzeitig) mit der Betätigung
der Kryopumpe 22 betätigt.
Wenn die Kammer einen ausreichend niedrigen "Basisdruck" erreicht
hat, kann die Bearbeitung des Wafers 40 beginnen. Der Basisdruck
ist typischerweise niedriger als 133·10–7 Pa
(10–7 Torr).
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Das oben beschriebene "Abpump"-Verfahren
ist natürlich
eine etwas vereinfachte Beschreibung, wie für den Fachmann auf diesem Gebiet
verständlich
sein wird. Eine vollständigere
Beschreibung ist folgendermaßen:
Nachdem die Kammer 18 durch die mechanische Pumpe 20 teilweise
abgepumpt ist, wird die mechanische Pumpe 20 abgeschaltet
und vom Ventil 48 gesperrt sowie das Ventil 50 zur
Kryopumpe 22 geöffnet.
Die Kammer wird dann typischerweise mit Wärmelampen (nicht gezeigt) "ausgeheizt",
um Wasserdampf und andere Gase von den Wänden und Innenteilen der Kammer 18 freizusetzen,
die von der Kryopumpe 22 gepumpt werden. Ferner wird die
Getterpumpe 30 "aktiviert", indem das Gettermaterial der
Getterpumpe auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, z. B. 450°C. Diese
Aktivierung der Getterpumpe 30 ist erforderlich, weil das Gettermaterial
"unangreifbar gemacht" wird, wenn es der Atmosphäre ausgesetzt wird, und die
Aktivierungsperiode und die Ausheizperiode können sich überschneiden. Die Ausheizperiode
und die Aktivierungsperiode brauchen jedoch nicht zusammenfallen.
Sobald die Kammer ausgeheizt und das Gettermaterial aktiviert ist,
wird die Getterpumpe 30 eingeschaltet, um gleichzeitig
mit der Kryopumpe 22 zu pumpen und die Kammer 18 rasch
auf den Basisdruck zu bringen. Die Halbleiterbearbeitung kann dann
weitergehen, wie für
den Fachmann auf diesem Gebiet wohl verständlich ist.
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Zur Einleitung der Bearbeitung in
einem Sputtersystem veranlasst die Steuerungseinrichtung 28 die Öffnung eines
Ventils 52 und ermöglicht
so das Einströmen
eines Edelgases (typischerweise Argon) von einer Gasquelle 54 in
die Kammer 18. Da die Kryopumpe 22 noch in Betrieb
ist, werden das Argongas und bestimmte Nebenprodukte des Sputterprozesses
aus der Kammer 18 herausgezogen. Das Ventil 52 ist
so eingestellt, dass der Argondruck innerhalb der Kammer 18 bei
wenigen Millitorr liegt, z. B. 133·10–6 bis
10–3 Pa
(1 × 10–3 bis
6 × 10–3 Millitorr). Da
die In-situ-Getterpumpe 30 Argon (das ein Edelgas ist) nicht pumpt,
wirkt sie im wesentlichen nicht auf das in die Kammer 18 einströmende Argon
ein. Die Getterpumpe 30 pumpt jedoch bestimmte Nicht-Edelgase
während
des Argongasstroms durch die Kammer 18, wie später noch
in größerer Einzelheit
erörtert
wird.
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So wie er hierin verwendet wird,
bezieht sich "In-situ-Getterpumpe" auf eine Getterpumpe, bei der die
aktiven Elemente, d. h. das aktive Gettermaterial, körperlich
innerhalb desselben Raumvolumens gelegen ist wie der gerade bearbeitete
Wafer. In der Tat ist die Getterpumpenkammer zur Verfahrenskammer geworden
und umgekehrt. Entsprechend ist die Durchlässigkeit zwischen dem In-situ-Gettermaterial und
der Verfahrenskammer sehr hoch, verglichen mit dem Anschluss einer
externen Getterpumpe an die Kammer durch ein Durchlassventil, eine
Rohrleitung, den Hals einer Pumpe, an einem Wärmeschild vorbei etc. Zum Beispiel
können
mit einer In-situ-Getterpumpe der vorliegenden Erfindung mit einem
Wärmeschild 33 mehr
als 75% (typischerweise mehr als 85%) der maximalen theoretischen
Pumpgeschwindigkeit erreicht werden, im Vergleich zu bestenfalls 75%
(typischerweise gerade einmal 35%) der maximalen theoretischen Pumpgeschwindigkeit
bei einer externen Getterpumpe, die mit einem Durchlassventil oder
dergleichen an die Bearbeitungskammer angeschlossen ist. Es sei
darauf hingewiesen, dass Durchlässigkeit
und Pumpgeschwindigkeit in direkter Beziehung zueinander stehen
und dass die Pumpgeschwindigkeit als relativer Prozentsatz einer
theoretischen maximalen Pumpgeschwindigkeit bezeichnet wird, als
ob es keine Hindernisse zwischen einem gegebenen Molekül und einer
Getterfläche
der Getterpumpe gäbe.
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Das Hinzufügen eines In-situ-Gettersystems der
vorliegenden Erfindung kann daher eine zwei- oder dreifache Verbesserung
der Pumpgeschwindigkeit gegenüber
bekannten Getterpumpen bereitstellen, die über einen Pumpenhals oder eine
Ventileintrittsöffnung
an eine Bearbeitungskammer angeschlossen sind. Ohne einen Wärmeschild 33 kann sogar
eine noch höhere
maximale theoretische Pumpgeschwindigkeit erreicht werden. Der Wärmeschild 33 ist
jedoch vorzugsweise vorgesehen, um das Gettermaterial gegen erwärmte Flächen innerhalb
der Kammer 18 abzuschirmen, wie z. B. die oben genannten
Ausheizlampen. Der Wärmeschild ist
ferner hilfreich beim Erreichen der Regenerierungstemperaturen für das Gettermaterial,
indem er von dem Gettermaterial und der Heizvorrichtung abgestrahlte
Wärme wieder
zurückwirft.
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Sobald das Argongas durch die Kammer 18 und
in die Kryopumpe 22 strömt,
wird der Plasmagenerator 26 aktiviert, eine Plasmaentladung
innerhalb der Kammer 18 zu erzeugen ("zünden"). Es gibt eine Reihe
von Möglichkeiten
zur Erzeugung eines Plasmas innerhalb der Kammer, darunter das Anlegen
eines Hochfrequenz-(HF)-Signals an das Sputterziel, wie es dem Fachmann
auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt
ist. Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet ebenfalls hinlänglich bekannt
ist, erzeugt das Plasma positiv geladene Argonionen, die das negativ
geladene oder geerdete Sputterziel bombardieren und bewirken, dass
ein Regen von Material auf den Wafer 40 fällt. Die
Art des gesputterten Materials hängt
von der Zusammensetzung des Sputterziels ab. Typischerweise werden
Materialien wie Aluminium, Titan und Titan-Wolfram als Sputterziele
verwendet, um Aluminium, Titan bzw. Titan-Wolfram auf der Oberfläche des
Wafers abzulagern.
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Ein In-situ-Getterpumpensystem 30
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung schließt das Gettermodul 32,
den Schild 33, die Spannungsquelle 34, den RGA 36 und
die Steuerungseinrichtung 38 ein. Als solches ist nur ein
Teil des gesamten Systems tatsächlich
innerhalb der Kammer 18 gelegen. Der aktive Teil des Systems 30,
d. h. das/die Gettermodul(e) 32, ist jedoch innerhalb der
Kammer 18 gelegen. Der Wärmeschild 33 ist ebenfalls
vorzugsweise innerhalb der Kammer angeordnet, um die aktiven Flächen des
Gettermoduls 32 gegen erwärmte Flächen innerhalb der Kammer abzuschirmen.
Der Wärmeschild
kann weggelassen werden, wenn die Gettermodule so positioniert oder
auf andere Weise abgeschirmt sind, dass eine Einwirkung durch erwärmte Flächen innerhalb
der Kammer verhindert wird. Der Wärmeschild 33 kann
ein feststehender Schild sein, der beispielsweise aus rostfreiem Stahl
hergestellt ist, oder kann ein beweglicher Schild sein, der während des
Betriebs offen ist und unter bestimmten Bedingungen schließt (wie
beim Öffnen
der Kammer 18).
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Die Getter-Systemsteuerungseinrichtung 38 steht
bevorzugt über
einen Schnittstellenbus 55 mit der Sputter-Systemsteuerungseinrichtung 28 in
Verbindung, so dass die In-situ-Pumpe nicht unter widrigen Bedingungen
betrieben wird, wie wenn die Kammer 18 zur Wartung und
Reparatur offen ist. Alternativ können die Steuerungseinrichtungen 28 und 38 zu einer
einzigen Steuerungseinrichtung zusammengefasst sein, wie für den Fachmann
auf diesem Gebiet verständlich
sein wird.
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Vorzugsweise schließt das Gettermodul 32 eine
Heizvorrichtung 56 ein, die es ermöglicht, die Temperatur des
Gettermaterials innerhalb des Gettermoduls 32 auszuwählen. Ein
Thermoelement 58 wird dazu verwendet, eine Temperaturrückkopplung bereitzustellen,
so dass die Temperatur des Gettermaterials innerhalb des Gettermoduls 32 präzise gesteuert
werden kann. Die Spannungsquelle 34 ist durch ein Kabel 60 an
die Heizvorrichtung 56 angeschlossen und liefert die Leistung
zum Betreiben der Heizvorrichtung 56. Die Spannungsquelle
ist insofern variabel, als sie ein- oder ausgeschaltet werden kann,
oder sie kann eine Anzahl unterschiedlicher Spannungspegel oder
eine Spanne von Spannungspegeln erhalten. Die Spannungsquelle 34 kann
ein- oder ausgeschaltet oder ihre Spannung durch ein Signal eingestellt
werden, das von der Steuerungseinrichtung 38 über einen
Bus 62 gesendet wird.
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Der Restgasanalysator (RGA) 36 ist
durch einen Messfühler 64 und
ein Kabel 66 an die Bearbeitungskammer 18 angeschlossen.
Mit "angeschlossen" ist hierin gemeint, dass der Analysator 36 Informationen
betreffend die Zusammensetzung und Konzentration des Gases innerhalb
der Kammer 18 empfangen kann. Zum Beispiel kann ein Analysator optisch
an die Kammer 18 angeschlossen sein, indem er Lichtdetektoren
aufweist, die das Plasma innerhalb der Kammer 18 durch
ein Quarz-Bullauge (nicht gezeigt) untersuchen können. In dieser bevorzugten
Ausführungsform
ist der Analysator jedoch durch den Messfühler 64 und das Kabel 66 körperlich an
die Kammer 18 angeschlossen.
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Ein geeigneter RGA 36 kann
unter dem Warenzeichen Transpector® von
Leybold Inficon, Inc., East Syracuse, New York, erhalten werden.
Der Zweck des RGA 36 ist die Bestimmung, welche Gase in
der Kammer 18 vorhanden sind, und in welchen Konzentrationen.
Diese Informationen werden über einen
Bus 68 an die Steuerungseinrichtung 38 geliefert.
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Im Betrieb empfängt die Steuerungseinrichtung 38 vom
RGA 36 über
den Bus 68 Informationen über die Zusammensetzung und
Konzentration des Gases in der Kammer 18. Über einen
Bus 70 erhält sie
ferner Informationen betreffend die momentane Temperatur des Gettermaterials
innerhalb des Gettermoduls 32. Die Steuerungseinrichtung 38 bestimmt
dann, ob die Temperatur des Gettermaterials in dem Gettermodul 32 angepasst
werden sollte, um die Pumpdaten des Gettermoduls 32 zu ändern. Wenn
der RGA 36 beispielsweise bestimmt, dass eine hohe Wasserstoffgaskonzentration
in der Kammer 18 vorhanden ist, und das Thermoelement 58 anzeigt,
dass das Gettermodul 32 momentan bei einer hohen Temperatur
arbeitet, kann die Steuerungseinrichtung 38 über den
Bus 62 ein Signal an die Spannungsquelle 34 senden
und bewirken, dass die Spannungsquelle 34 abschaltet. Dies
schaltet die Heizvorrichtung 56 aus und ermöglicht dem
Gettermodul 32, auf eine tiefere Temperatur abzukühlen. Bei
tieferen Temperaturen adsorbieren Getterstoffe wie die oben genannten
ST707 und ST101 Wasserstoff aggressiv und verringern auf diese Weise schnell
die Wasserstoffkonzentration in der Kammer 18. Wenn der
RGA 36 in einem anderen Beispiel einen hohen Wasserdampfpegel
erfasst und die Temperatur des Gettermoduls 32 niedrig
ist, veranlasst die Steuerungseinrichtung 38 die Spannungsquelle 34,
die Wärmeabgabe
der Heizvorrichtung 56 zu erhöhen und das Gettermaterial
bis zum 300–450°C-Bereich
zu erwärmen,
um den Wasserdampf schnell und wirksam aus der Kammer 18 zu pumpen.
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Mit zusätzlichem Bezug auf 2 ist die Kryopumpe 22 vorzugsweise
durch eine Drosselplatte 72 an das Durchlassventil 50 angeschlossen.
Wie zuvor erläutert,
verringert die Drosselplatte 72 die Durchlässigkeit
zwischen der Bearbeitungskammer 18 und der Kryopumpe 22.
Wenn die Kryopumpe beispielsweise einen 200-mm-(8'')-Ausfluss aufweist, dann
ist die Drosselplatte 72 etwas größer als 200 mm (8") im Durchmesser
und mit einem oder mehr Löchern 74 (oder
anderen Öffnungen
wie Schlitzen) versehen, durch die das Gas aus der Verfahrenskammer 18 in
die Kryopumpe 22 hineinströmen kann. Die Durchlässigkeit
einer Kryopumpe würde
durch die gewählte
Drosselplattengestaltung typischerweise um einen Faktor von ca.
50–70%,
und fast sicher mehr als 25%, verringert. Dies erlaubt die Verwendung
einer leistungsstarken Kryopumpe, die nicht sehr häufig regeneriert
werden muss und doch eine ausreichend geringe Durchlässigkeit
aufweist, so dass während
der Bearbeitung keine übermäßigen Mengen
Argongas in die Kammer 18 einströmen brauchen. Alternativ kann
eine viel kleinere Kryopumpe 22 ohne Drosselplatte 72 verwendet
werden, mit dem Nachteil, dass die Kryopumpe dann häufiger regeneriert
werden muss, da sie mit Argongas gesättigt wurde.
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Das In-situ-Getterpumpensystem 30 hat
daher eine besondere Beziehung zur Kryopumpe 22. Da die
Durchlässigkeit
der Kryopumpe 22 beschränkt sein
muss, so dass übermäßige Mengen
von Argon (oder anderen Edelgasen) während der Bearbeitung nicht
erforderlich sind, kann die In-situ-Getterpumpe verwendet werden,
um die Pumpgeschwindigkeiten sowohl während des Abpumpens auf Basisdrücke als
auch während
der Bearbeitung von Halbleiter-Wafern zu erhöhen. Da die In-situ-Getterpumpe keine
Edelgase wie Argon pumpt, ist sie ideal zur Verwendung mit einer
Kryopumpe 22 geeignet, die eine absichtlich beschränkte Durchlässigkeit
besitzt.
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In 3 ist
eine bevorzugte Gestaltung für das
Gettermodul 32 offenbart. Vorzugsweise schließt das Gettermodul 32 eine
Reihe von Getterelementen 74 ein, die in einer beabstandeten
Gestaltung angeordnet sind. Mit zusätzlichem Bezug auf die Querschnittansicht
gemäß 3a ist jedes der Getterelemente
mit einer mittig angeordneten Öffnung
(Loch) 76 versehen, die eine langgestreckte Heizvorrichtung 56 aufnehmen
kann. Vorzugsweise ist jedes Getterelement 74 im wesentlichen
scheibenförmig,
mit einer Axialbohrung, die die mittig angeordnete Öffnung 76 bildet.
Jedes Getterelement 74 weist ein Paar gegenüberliegende
Seiten 78 und 80 auf und kann eines aus einer Reihe von geeigneten
Gettermaterialien sein, darunter das Gettermaterial, das unter den
Warenzeichen ST707 oder ST101 von SAES Getters SpA, Mailand, Italien,
verkauft wird. Diese Getterelemente sind vorzugsweise poröse, gesinterte
Getterelemente wie diejenigen, die im US-Patent Nr. 5,320,496 von
Manini et al., übertragen
auf SAES Getters SpA, offenbart sind und durch Querverweis hierin
aufgenommen werden. Poröses
Gettermaterial wird von SAES Getters SpA unter dem Warenzeichen
ST172 verkauft. Die Herstellung von porösem Gettermaterial ist im Britischen
Patent Nr. 2,077,487 beschrieben, das auf SAES Getters SpA übertragen ist.
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In der Ausführungsform gemäß 3 weisen benachbarte Getterelemente 74,
wie Getterelemente 74a und 74b, einander zugewandte
Flächen 82a und 82b auf.
In der Ausführungsform
gemäß 3 sind die Flächen 82a und 82b im
wesentlichen planar und im wesentlichen parallel. Mit "im wesentlichen
planar" ist gemeint, dass die Oberfläche im wesentlichen eben ist,
obwohl ein gewisser Abweichungsgrad von der vollkommenen Ebenheit
akzeptabel ist. Mit "im wesentlichen parallel" ist gemeint, dass
die Flächen
im wesentlichen parallel sind, obwohl eine geringe Abweichung (z.
B. eine Abweichung von ±5°) akzeptabel
sein kann. In anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
Getterelemente nicht planare Flächen
oder planare, einander zugewandte Flächen aufweisen, die nicht parallel
sind. Zum Beispiel können
einander zugewandte Flächen
(wie die Flächen 82a und 82b)
ein Paar Ebenen definieren (selbst wenn sie nicht völlig planar
sind), die sich mit einem einbeschriebenen Winkel von ca. 5° oder weniger
schneiden. Dies kann in manchen Fällen die Adsorption der ausgewählten Gase
verbessern.
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Die Heizvorrichtung 56 kann
jedes geeignete Heizelement sein. Die Anforderungen an die Heizvorrichtung 56 sind,
dass sie in der Lage sein sollte, die Getterelemente 84 auf
ein gewünschtes
Betriebstemperaturprofil zu erwärmen.
Dieses Profil ist vorzugsweise gleichförmig, kann aber einen Temperaturgradienten
oder Temperaturunstetigkeiten über die
Länge des
Gettermoduls aufweisen.
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Wenn beispielsweise das Gettermaterial ST707
verwendet wird, ist es wünschenswert,
dass die Heizvorrichtung in der Lage ist, die Getterelemente 74 während des
Betriebs im Bereich von 25–300°C und zur
Aktivierung auf eine höhere
Temperatur von 450–500°C zu erwärmen. Wenn
das Gettermodul 32 jedoch zum Pumpen von Wasserstoff verwendet
werden soll, braucht die Heizvorrichtung 56 typischerweise
nicht aktiviert werden, weil das Gettermaterial ST707 Wasserstoff
sehr gut bei Raumtemperaturen pumpt.
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Selbst wenn die Heizvorrichtung 56 nicht zum
Erwärmen
des Getterelementes 74 auf die Betriebstemperatur verwendet
wird, kann sie trotzdem zum Aktivieren des Gettermaterials in den
Getterelementen 74 verwendet werden. Zum Beispiel kann Gettermaterial
ST707 durch Erwärmen
auf 450–500°C aktiviert
(regeneriert) werden, und ST101 kann durch Erwärmen auf 600–700°C aktiviert
werden. Die Regenerierung muss jedoch nicht erforderlich sein, weil
das Gettermodul 32 einfach als Wegwerf- oder Verbrauchsartikel
angesehen werden kann, der während
der Routinewartung ausgetauscht wird.
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Zwar ist die Heizvorrichtung 56 als
Mittelachse beschrieben worden, welche die Getterelemente 74 abstützt, die
Getterelemente können
aber auch durch eine nicht beheizte Achse abgestützt oder auf andere Arten gelagert
sein. Die Heizvorrichtung 56 kann dann von der baulichen
Lagerung für
die Getterelemente 74 getrennt sein, wie z. B. nahe an
den Getterelementen positionierte Strahlungslampen.
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Wie zuvor erwähnt, gibt es mehrere Technologien
zur Bereitstellung der Heizvorrichtung 56. Zum Beispiel
kann eine Widerstands-, Induktions- oder Strahlungsheizvorrichtung
vorgesehen sein. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform
ist die Heizvorrichtung 56 jedoch eine Widerstandsheizvorrichtung,
wie sie in dem Patent von Manini et al. gezeigt ist. Die Heizvorrichtung
sollte in der Lage sein, in einer Spanne von der Umgebungs- oder
Raumtemperatur bis wenigstens zu den Betriebstemperaturen der Gettermaterialien
zu heizen. Vorzugsweise sollte die Heizvorrichtung in der Lage sein,
die Gettermaterialien auf ihre Aktivierungstemperaturen zu erwärmen.
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In 4 schließt eine
Bearbeitungskammer 84 in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung eine abdichtbare Hülle 86 und
zwei Gettermodule 88 und 90 ein, die innerhalb
einer durch die Hülle 86 definierten
Kammer 92 angeordnet sind. Das System 84 enthält ferner
einen RGA 91 und ein mikroprozessorgesteuertes System 93.
Wie es bei allen Steuerungseinrichtungen wie der Steuerungseinrichtung 93 der
Fall ist, kann die Steuerungseinrichtungsfunktion natürlich durch
eine Reihe von äquivalenten elektrischen
oder elektronischen Systemen bewerkstelligt werden. Zum Beispiel
kann eine Steuerungseinrichtung eine Analogschaltung, eine diskrete
Digitallogik, einen Mikroprozessor, einen Minicomputer etc. enthalten.
Das System 84 weist ferner ein Paar Spannungsquellen 94 und 96 auf.
Die Hülle 86 kann von
beliebiger herkömmlicher
Bauart sein, obwohl sie vorteilhafterweise aus geschweißtem, rostfreiem Stahl
hergestellt ist. Die Hülle 86 ist
vorzugsweise mit einem Schlitzventil (nicht gezeigt) oder dem Äquivalent
dazu versehen, so dass ein Werkstück bequem in die Kammer 92 eingesetzt
und daraus entfernt werden kann. Abgedichtet isoliert die Hülle 86 die Kammer 92 von
der Ortsumgebung.
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Es gibt sehr viele Gründe, warum
zwei oder mehr (d. h. eine Vielzahl) von Gettermodulen wie die Gettermodule 88 und 90 innerhalb
der Kammer 92 vorgesehen sind. Zum Beispiel können die
zwei In-situ-Gettermodule 88 und 90 einfach parallel
betrieben werden, um die Kapazität
und Pumprate des In-situ-Gettersystems zu verdoppeln. Alternativ
können die
Gettermodule 88 und 90 mit unterschiedlichen Gettermaterialien
hergestellt und/oder bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen
betrieben werden. Zum Beispiel kann das Gettermodul 88 mit
dem Gettermaterial ST707 hergestellt und bei 300–400°C betrieben werden, um vorzugsweise
die meisten Nicht-Edelgase außer
Wasserstoff zu pumpen, während
das Gettermodul 90 mit dem Gettermaterial ST101 hergestellt
und bei Raumtemperatur belassen werden kann, um vorzugsweise Wasserstoff
zu pumpen. Daher kann mit der Kombination der zwei Gettermodule
ein breiter Bereich von Nicht-Edelgasen gepumpt werden.
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Vorzugsweise ist das System 84 in
Art eines geschlossenen Regelsystems gesteuert, d. h. es arbeitet
unter Rückkopplungssteuerung.
Thermoelemente (oder das Äquivalent) 98 und 100 werden
zur Überwachung
der Temperatur der Gettermodule 88 bzw. 90 verwendet, und
ein Messfühler 102 wird
von der RGA-Schaltung 91 verwendet, um die Zusammensetzunng
und Konzentration der Gase innerhalb der Kammer 92 zu erfassen.
Die Steuerungseinrichtung 93 verwendet die Eingaben von
der RGA-Schaltung 91 und den Thermoelementen 98 und 100 zur Erzeugung
von Signalen, welche die an die Heizvorrichtungen 104 bzw. 106 angeschlossenen
Spannungsquellen 94 und 96 der Gettermodule 88 bzw. 90 steuern.
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In 5 stellt
ein Diagramm ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben einer In-situ-Getterpumpe in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung dar. In diesem Diagramm ist ein Druck
P innerhalb einer Kammer entlang der vertikalen Achse gezeigt, während die
Zeit T entlang der horizontalen Achse gezeigt ist. Eine erste Linie 140 stellt
den Partialdruck von Wasserdampf innerhalb der Kammer über die Zeit
dar, während
eine zweite Linie 142 den Partialdruck von Wasserstoff
innerhalb der Kammer über die
Zeit darstellt. In diesem Beispiel erzeugt die Kombination des Wasserdampfes 140 und
des Wasserstoffs 142 den kombinierten Druck 144 innerhalb
der Bearbeitungskammer.
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Mit Bezug auf die Darstellung gemäß 5 wird nun ein Verfahren
zur Verwendung eines einzigen Gettermoduls, wie das Gettermodul 32 gemäß 1, als In-situ-Getterpumpe
nach der Aktivierung und während
des Abpumpens beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass das Diagramm
gemäß 5 nur Darstellungszwecken
dient und tatsächliche
Partialdruckkurven variieren. Es wird in diesem Fall angenommen,
dass das Gettermodul 32 ein Gettermaterial des Typs ST707
enthält,
das Wasserdampf (H2O) sehr gut adsorbiert,
wenn es auf Temperaturen im Bereich von 300–450°C, z. B. bis zu etwa 350°C, erwärmt wird.
ST707 adsorbiert Wasserstoff auch bei tieferen Temperaturen gut,
wie bei Raumtemperatur, z. B. 25°C
oder darum herum. In diesem Fall erfasst der RGA 36 einen
hohen Wasserdampfpegel zu einem Zeitpunkt t = 0, und eine Steuerungseinrichtung 38 veranlasst
die Spannungsquelle 34, die Heizvorrichtung einzuschalten,
um das Gettermodul 32 auf etwa 350°C zu erwärmen. Dies bewirkt ein sehr
rasches Absinken der Wasserdampfpegel, bis zu einem Zeitpunkt t
= T1, wenn der Wasserdampf der Kammer im wesentlichen entzogen ist.
Der Wasserstoff-Partialdruck bleibt jedoch weitgehend konstant,
weil ST707 Wasserstoff bei hohen Temperaturen nicht gut adsorbiert.
Sobald der RGA 36 erfasst, dass der Wasserdampfpegel innerhalb
der Kammer 18 zu einem Zeitpunkt t = T1 niedrig und der
Wasserstoffpegel 42 hoch ist, bewirkt das System 38 das
Abschalten der Spannungsquelle 34, wodurch die Heizvorrichtung
abgeschaltet wird und dem Gettermodul 32 ermöglicht wird
abzukühlen
und mit der Adsorption von Wasserstoff zu beginnen. Wie in 5 dargestellt, kann daher
ein einziges Gettermodul, das mit zwei unterschiedlichen Temperaturen
betrieben wird, der Kammer 18 Nicht-Edelgase schnell und
wirksam entziehen, ohne sich auf den Edelgasstrom durch die Kammer
auszuwirken.
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In 6 stellt
ein Diagramm den Betrieb eines Systems mit multiplen Gettermodulen
dar, wie das System 84, das in 4 dargestellt ist. Wieder sei darauf
hingewiesen, dass das Diagramm gemäß 6 nur Illustrationszwecken dient und
tatsächliche Partialdruckkurven
variieren. In diesem Beispiel ist der Partialdruck aufgrund Wasserdampf
durch die Linie 146 gezeigt, während der Partialdruck aufgrund Wasserstoff
durch die Linie 148 gezeigt ist. Der Gesamtdruck innerhalb
der Kammer 92 ist in diesem Beispiel durch die Linie 150 gezeigt.
Da der RGA 91 sowohl die Wasserdampf- als auch die Wasserstoffkonzentration
erfasst, veranlasst der Mikroprozessor 93 das Einschalten
der Spannungsquelle 94 und das Abschalten der Spannungsquelle 96.
Dies veranlasst das Gettermodul 88 zum Erwärmen auf
eine Temperatur von ca. 350°C,
wodurch der Wasserdampf schnell aus der Kammer 92 gepumpt
wird, während es
dem Modul 90 ermöglicht,
ungefähr
bei Raumtemperaturen zu arbeiten, so dass es Wasserstoff schnell aus
der Kammer 92 pumpen kann.
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Es wird bemerkt werden, dass die
Mehrfach-Modulsysteme aufgrund des größeren Flächenbereiches und aufgrund
der Tatsache, dass vielerlei Arten von Gas gleichzeitig gepumpt
werden können, größere Pumpgeschwindigkeiten
erzielen können. Die
multiplen In-situ-Gettermodule schaffen jedoch teurere Systeme als
das zuerst beschriebene Einzelgetter-Modulsystem.
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In 7 beginnt
ein Verfahren 152 zur Bearbeitung eines Wafers in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung bei Schritt 154, und in einem Schritt
156 wird eine In-situ-Getterpumpe
in Verbindung mit einer Kryopumpe aktiviert, um einen Basisdruck
in einer Kammer zu entwickeln. Als Nächstes wird in einem Schritt
158 ein Wafer in die Kammer eingesetzt und die Kammer abgedichtet.
In einem Schritt 160 beginnt Argon in die Kammer einzuströmen, und
in einem Schritt 162 strömt
das Argongas weiterhin und es wird ein Plasma erzeugt, während sowohl
das In-situ-Pumpensystem als auch das Kryopumpensystem aufrechterhalten
werden. Als Nächstes
bricht das Plasma in einem Schritt 164 ab, und das Argongas wird
abgeschaltet, um dem In-situ-Pumpensystem und dem Kryopumpensystem
die Verringerung des Drucks in der Kammer zu ermöglichen. Der bearbeitete Wafer
wird dann in einem Schritt 166 aus der Kammer herausgenommen, und das
Verfahren endet bei Schritt 168.
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Ein Verfahren 162 entsprechend
dem Schritt 162 gemäß 7 ist in 8 dargestellt. Das Verfahren 162 beginnt
bei 170, und in einem Schritt 172 wird die Zusammensetzung und Konzentration
des Gases und der Kammer überwacht.
Als Nächstes werden
in einem Schritt 174 basierend auf dem Überwachungsschritt und einer
bestimmten Verfahrensheuristik die Betriebsparameter der In-situ-Getterpumpe
eingestellt. Das Verfahren 162 endet bei 176.
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Es sei darauf hingewiesen, dass das
in 8 dargestellte Verfahren 162 eine
Ausführungsform
des Verfahrens mit geschlossenem Regelsystem oder Rückkopplung
ist. Die Betriebsparameter der In-situ-Getterpumpe, auf die in Schritt
174 verwiesen wird, können
die Aktivierung eines oder mehr Gettermodule, Änderung der Temperatur eines
Gettermoduls etc. einschließen.
Bei der Verfahrensheuristik handelt es sich um Faustregeln, die
der Systemplaner realisiert, um das Verfahren zu optimieren. Zum
Beispiel könnte
der Systemplaner beschließen, dass
die Temperatur an einem Gettermodul mit dem Gettermaterial ST707
von 350° auf
Raumtemperatur fallen gelassen werden sollte, wenn der Wasserdampf-Partialdruck
einen bestimmten Pegel erreicht, oder nach einer vorbestimmten Zeitspanne
etc.
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Obwohl diese Erfindung bezogen auf
mehrere bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, gibt es Änderungen,
Vertauschungen und Entsprechungen, die unter den Schutzbereich dieser Erfindung
fallen. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass es viele alternative
Arten zur Realisierung sowohl des Verfahrens als auch der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung gibt. Obwohl z. B. während der obigen Erörterung
der bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung Gettermaterial ST707 und ST101 offenbart
wurde, wird für
den Fachmann auf diesem Gebiet verständlich sein, dass auch andere
Gettermaterialien und Zusammensetzungen zur Verwendung mit der vorliegenden
Erfindung geeignet sind. Obwohl ferner in Verbindung mit der vorliegenden
Erfindung primär
Kryopumpen beschrieben worden sind, wird verständlich sein, dass Molekularpumpen,
Ionenpumpen, Turbopumpen etc. ebenso oder äquivalent benutzt werden können.